客观日本

制氢催化剂的纳米级催化活性位点,成功实现电化学成像

2019年12月12日 化学材料

日本金泽大学纳米生命科学研究所的高桥康史副教授、东北大学的末永智一特任教授和约翰斯·霍普金斯大学的陈明伟教授等人组成的联合研究团队,提高了扫描电化学池显微镜(SECCM)的分辨率,对于作为制氢反应(HER)催化剂而备受期待的过渡金属硫族化物纳米片的催化活性位点成功实现了电化学成像。

<研究背景>

随着汽车行业大力开发燃料电池汽车,氢的需求迅速高涨。以MoS2为首的过渡金属硫族化物纳米片由于价格便宜,所以作为取代Pt的制氢反应(HER)催化剂备受期待。要想进一步提高MoS2纳米片的HER活性,必须实现活性位点的可视化并明确劣化机理。但利用以往测量HER活性的电化学测量法,只能得到材料整体的平均响应。

<研究内容>

联合研究团队开发了可以使MoS2纳米片的HER活性位点直接可视化的分析技术SECCM。SECCM利用纳米移液器局部形成了纳米级电化学池,通过用移液器扫描样本表面来获得电化学图像。SECCM的分辨率取决于纳米移液器的开口,因此通过实现纳米移液器的微细化及改良装置,开发出了拥有全球最高空间分辨率的SECCM,并通过电化学成像使MoS2纳米片状HER活性位点直接实现了可视化(图1)。

制氢催化剂的纳米级催化活性位点,成功实现电化学成像

图1:利用SECCM测量MoS2纳米片的概要

由此发现MoS2纳米片边缘部分的HER活性较高(图2)。另外还确认,通过SECCM电化学形成与MoS2纳米片的HER活性密切相关的硫(S)缺陷时,这部分的HER活性会增强(图3)。此外发现,在空气中保存样本时,会最先从边缘部分开始劣化,HER活性比平坦部分降低(图4)。以前一直认为纳米片的层数与电化学活性密接相关,但此次通过直接电化学成像证明,实际与层数没有关系(图5)。

制氢催化剂的纳米级催化活性位点,成功实现电化学成像

图2:采用SECCM的MoS2纳米片电化学成像

制氢催化剂的纳米级催化活性位点,成功实现电化学成像

图3:采用SECCM的局部电化学活性化

制氢催化剂的纳米级催化活性位点,成功实现电化学成像

图4:因SECCM劣化的MoS2/WS2异质纳米片的电化学成像

制氢催化剂的纳米级催化活性位点,成功实现电化学成像

图5:MoS2/WS2异质纳米片的HER活性与层数之间的关系

<未来展望>

通过使催化剂的活性位点直接电化学可视化,不仅是HER,还可应用于制氧位点和质子传导位点等多种电化学工艺的可视化。由此,有望提供催化剂开发的设计指南,开发出不易劣化的催化剂。

相关研究成果已于2019年11月28日发布在德国化学会的期刊《Angewandte Chemie International Edition》的网络版上。

<论文信息>
题目:“High Resolution Electrochemical Mapping of Hydrogen Evolution Reaction on Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets”
DOI:10.1002/anie.201912863

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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